新型微通道换热器翅片的性能研究

新型微通道换热器翅片的性能研究

[狄义波]

[英格索兰亚太研发中心，215000]

[ [ 摘摘 要要 ]

] 本文基于ANSYS 仿真软件，建立了常规微通道换热器空气侧翅片的对流换热模型，并用结合实验加以检验。该模型的给出的j 和f 因子与实验数据吻合良好，尤其在翅片典型的工作区间

(Re 数500至1000)。应用该模型的建模方式，分析了某新型翅片的压降与换热性能。该翅片

与常规开窗翅片相比具有结构简单，易于制造的优势，同时仿真结果表明：这种新型翅片有着

极低的摩擦因子f 和接近常规翅片的换热因子j，以及更好的翅片效率(f/j)。

[ [ 关键词关键词关键词 ] 微通道换热器，开窗翅片， CFD 仿真, 换热因子，摩擦因子

Performance study on a new fin of

Micro-channel heat exchanger

[Di Yi Bo]

[IRETC-AP, 215000]

[ [ Abstract Abstract Abstract ] In this paper, a CFD model is built to predict the air-side heat transfer and pressure

drop of Micro-channel heat exchanger and test is conducted to validate the approach.

CFD results give a good agreement of j and f factor, especially in typical Re number

range (500 to 1000) where MCHE normally works. The approach is used to analyze the

performance of pressure drop and heat transfer of a new fin. This fin has a large

advantage in manufacturing because of simpler geometry. And CFD results further shows

that this fin has an extremely low f factor and almost same level j factor, thus better

fin efficiency (f/j).

[ Keyword ]

[ Keyword ] Micro-channel heat exchanger, louver fin, CFD simulation, j factor, f factor 1 前言

早在20世纪80年代，微通道换热器开始应用到电子器件的冷却问题上，表现出体积

小，结构紧凑，传热系数高等优点；为解决汽车空调体积大、易损坏等缺点，美国Modine 公司借鉴电子产品领域的微通道换热器设计了平行流换热器。后来日本昭和铝等公司在两

端集管中增加隔板形成不同回路而称之为多元平行流冷凝器。目前，全铝的微通道换热器已广泛应用于汽车空调行业，随着加工工艺、技术和新型铝材的开发，正逐步应用于家用

和商用制冷空调领域。 高效的换热性能，较低的制造成本和简易的制造工艺一直都是换热器的目标，目前常

规的全铝微通道换热器结构如下：

图1. 微通道换热器结构图与实物

分配管（集流管）， 扁管（平行流管），翅片为微通道换热器主要构成部分。其换热比较复杂，包括制冷剂与扁管之间的对流换热，扁管与翅片之间的热传导，翅片与空气的对流换热。制冷剂的相变，更是增加的其换热研究的难度，目前对微通道换热器的研究设计以

实验验证为主，而基于CFD 的仿真研究比较少。国外方面，Man-Hoe Kim 和Clark W. Bullard

[1]基于45种微通道换热器的实验测试结果，分析了翅片间距，开窗角度，翅片长度等等对其换热和压降的影响，并回归推导摩擦因子和换热因子与翅片几何参数的关系。Chi-Chuan

Wang [2]等对74传统的圆管翅片式换热器进行了换热测试，回归了其翅片和圆管几何参数与

摩擦因子和换热因子的的关系。其换热因子关系式能拟合88.6%的实验数据，摩擦因子关

系式能拟合85.1%的实验数据，两者误差都在正负15%。Perrotin T. [3] 等用二维和三维CFD

仿真模拟了汽车冷凝器的换热，并和实验进行了对比，其仿真有助于更好的理解其换热机

理。Tafti D.K [4]等基于CFD 仿真研究了不同雷诺数下开窗翅片阵列的尾迹变化，发现雷诺

数为400(翅片间距为特征长度)开始出现尾涡，雷诺数大于1300时候流动完全为湍流。

Hsieh C. [5] 等对相继增大和相继减小翅片开窗角度模式进行了三维的CFD 仿真研究，其结

果表明相继变化的开窗角度有助于提供微通道换热器的换热性能。国内方面，张剑飞[6]等

测试了雷诺数100至500时微通道换热器的空气侧阻力，结果表明微通道换热器空气阻力

与换热量是同面积平翅片圆管换热器空气阻力相当。涂小平[7]等人通过对13个微通道冷凝

器空气侧性能进行时实验研究，并用Kim-Bullar 介绍的方法计算了空气侧换热和摩擦系数， 分析了其与迎风速度，翅片间距，翅片开窗数，扁管宽度与高度直径的关系，并对其

关联式进行了重新拟合。Xiaoping TU [8]等人基于实验和CFD 仿真的手段研究了不同翅片间

距，翅片开窗角度，翅片长度等对微通道换热器的换热与压降性能的影响，实验结果表明CFD 仿真模型有较好的预测能力，并给出了相关的设计参数的取值建议。